城市规划时空数据模型设计
朱丽云 唐中实 牟博超 尹 平 清华大学土木工程系３Ｓ中心 北京 １０００８４
摘要
本文在成熟ＧＩＳ软件ＥＳＲＩ’ｓ ＡｒｃＧＩＳ ｇｅｏｄａｔａｂａｓｅ的空间矢量数据结构基础
上
存储事件的方法来建立和分析对象间的历史拓扑关系态关键字
并通过显式
时
Ｃｉｔｙ Ｐｌａｎｎｉｎｇ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｈａｓ ｄｉｓｔｉｎｃｔ ｔｅｍｐｏｒａｌ ａｎｄ ｓｐａｔｉａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ
ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ． Ｔｈｅ ｎｅｅｄ ｆｏｒ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｅｍｐｏｒａｌ ａｎｄ ｓｐａｔｉａｌ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ａｒｅａ ｏｆ ｃｉｔｙ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｐｒｏｍｏｔｅｓ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ＧＩＳ ｔｅｍｐｏｒａｌ ａｎｄ ｓｐａｔｉａｌ ｄａｔａ ｍｏｄａｌｓ． Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ， ｗｏｒｋ ｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｐａｔｉａｌ ｖｅｃｔｏｒ ｄａｔａ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ＥＳＲＩ’ｓ ＡｒｃＧＩＳ Ｇｅｏｄａｔａｂａｓｅ． Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ Ｏｂｊｅｃｔ Ｏｒｉｅｎｔｅｄ ｍｅｔｈｏｄ， ｔｅｍｐｏｒａｌ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ｉｓ ａｄｄｅｄ ｔｏ ｓｐａｔｉａｌ ｄａｔａ ｔｈｒｏｕｇｈ ａｄｄｉｎｇ ａｎ ｅｘｃｌｕｓｉｖｅ ＩＤ ｔｏ ｅａｃｈ ｏｂｊｅｃｔ． Ａｎｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ａｐｐａｒｅｎｔｌｙ ｓｔｏｒｉｎｇ ｅｖｅｎｔｓ， ｔｈｅ ｈｉｓｔｏｒｉｃａｌ ｔｏｐｏｌｏｇｉｅｓ ａｒｅ ｂｕｉｌｔ． Ｃｏｎｓｅｑｕｅｎｔｌｙ ｔｈｅ ｓｔｏｒａｇｅ ａｎｄ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌ， ｓｅｍａｎｔｉｃ， ｔｅｍｐｏｒａｌ ａｎｄ ｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｉｔｙ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｏｂｊｅｃｔｓ ａｒｅ ｅｘｐｌｏｒｅｄ．
１． 引言
ＧＩＳ技术是进行城市规划空间信息管理的重要工具
然而
城市规划的绝大多数信息都具有鲜明的空间特征
都要基于对目前所有基础信息怎样更好地来组织
另外
以自己不同的编码方式来记录不同时间下的规划信
息
以便更好地组织城市规划历史的
但目前的ＧＩＳ软件为我们展现的还是一个静态的世界
快照
这同时也带来了大量的数据冗余以及缺乏比较性等等问题实上我们规划的世界是实时动态的
用于规划的ＧＩＳ信息数据库中的数据要能反映变化下的城市问
题
924
但事
时空数据模型
城市规划时空数据模型要能够回答类似这样的问题
一条城市过境路修成后
如何变更的
人们把时间戳加到空间对象的空间属性或主题属性上
基态修正模型
很多方法采用版本来表达时空对象的状态
时空变化查询的效率较低
如分裂
［４］
因为现实世界中
是分裂而来
Ａ． Ｒｅｎｏｌｅｎ
都先后提出了在时空数据模型中显式存储时空变化的方法
因此时空变化可以通过对事件的存储和表示来
实现
和陈军等因此
ＡｒｃＳＤＥ
生产商
ＥＳＲＩ
公司开发的一种空间数据引擎
是世界著名的ＧＩＳ软件
其做法是在标准的关系数据库上增加一个空间数据管理层
通过关键项将其相联
Ｔａｂｌｅ
Ｓｐａｔｉａｌ Ｉｎｄｅｘ Ｔａｂｌｅ
或称为
Ａ
表
要素表
要素的类型及要素的封装边界
为
Ｓ
表
或称
Ｂｕｓｉｎｅｓｓ Ｔａｂｌｅ
［５］
Ｌａｙｅｒ
所涉及到的信息可以分为基础信息
从几何角度看这些
象依旧可以分为点
在时空数据模型中
所谓历史拓扑
对
根据ＷＯＲＢＯＹＳ的时空对象模型以及Ｇ． Ｌａｎｇｒａｎ等人的显式存储时空变化的观点
这里仅针对矢量数据
925
计有所不同
规划方案强调版本控制
图1 ArcSDE geodatabase表结构
３．２．１． 在Ｇｅｏｄａｔａｂａｓｅ中增加时间信息 为了研究时态ＧＩＳ在城市规划中的使用
本次研究首先尝试采用ＥＳＲＩ公司ＡｒｃＧＩＳ软件
目前城市规划信息所包含的实体按空间维数分主要有零维实体一维实体的观点
二维实体
点
形成时空对象类
通过扩展ｇｅｏｄａｔａｂａｓｅ空间数据结构
线
线状要素的变化
城市中的道路是城市规划系统中重要的
城市道路数据也在发生巨大
有些道路变成了建设用地从此不复存在
按照面向对象
926
考虑到连续规划的需要
库的同时为每个对象增加时间维信息
为每个路段定义一个有效时间
允许变长
在Ｇｅｏｄａｔａｂａｓｅ中
也就是在维护现状
通过对数据库业务表中的每条记录增加ＴｉｍｅＳｔａｒｔ和ＴｉｍｅＥｎｄ两项附加属性值来实
现
表１ 时空路段数据结构表 字段名
称
字段名 字段类型
关于时间粒度
一般以月和年来表达时间
本次研究对象定位于
年月日
建立时空数据模型还需考虑时间参照系的问题从而定义了时间维上实体间的关系
在同一时空参照系下
城市规划数据库的时空数据模型
路段标
识
RoadID Int
起始
点标
识
NodeFrom NodeTo Int
Int
终结点标识 有效起有
效终路段长度 要素标
始时间 Date
结时间 Date
Double
识
Int
［６］
TimeStart TimeEnd Perimeter Shape
依赖于特定的应用需求
对于目前的各种应用
因为时差的不同及历法的不同等使得时空数据必须定义明确的时间参照系
时
空数据模型不仅要提供基于对象的有效存在时间
目前的时间ＧＩＳ模型和
标准也提出了使用时间拓扑算子的建议
之
前示
动态时空关系还要指明一个时空对象从哪些时空对象演变而
期间
如下图２所
图2 Allen的时间拓扑关系
927
来
时间信息后还要为它们建立历史拓扑
即增加一个历史拓扑事件表
表２ 显示存储事件的历史拓扑关系表结构
字段名称 字段名 字段类型
事件编号 EventID Int
父实体标识 FatherID Int
子实体标识 SonID Int
所以在为实体引入
历史拓扑关系 事件发生时间点
TemTopo
Int
TimePoint Date
其中历史拓扑关系设计可取值为
如下图所示
３－１
剩余Ｂ１
部分仍为耕地
图３－３
a
图
耕地面积向林区扩展为Ｂ２
图3-2
a
图3-3
122 11 12
51101
A 的标识号
103
6
928
Null 33 B1
3
1999 2000
如同空间拓扑不会随着实体的几何变形而影响它们之前相邻相交等空间拓扑属性当从一个时间参照系转到另一个时间参照系下
４． 实验演示系统 根据上述时空模型
数据结构设计
后台数据库选用
ＳＱＬＳｅｒｖｅｒ
完成具备时
空查询与分析功能的演示系统如下所示
图4 数据库历史数据查询界面
左面目录树显示数据库已有数据
可对实体本身或者实体之间的历史拓扑进行查询或者缓
冲区分析
图5 时空分析操作界面
929
５． 总结
城市规划对时间和空间信息处理的实际需求促使了对ＧＩＳ
时空数据模型的研究
采用面向对象的数据管理方法并建立历史拓扑关系
时态
过扩展ＲＤＢＭＳ
实现
参考文献
［ １ ］ 王黎明， 王英等． 面向对象的区域规划空间信息时空数据模型． 地理科学进展， Ｖｏｌ．２３，
Ｎｏ．３， ２００４－０５．
［ ２ ］ Ｂｏａｒｎｅｔ Ｍ． ＆ Ｃｒａｎｅ Ｒ． １９９７． Ｌ．Ａ．Ｓｔｏｒｙ： Ａ Ｒｅａｌｉｔｙ Ｃｈｅｃｋ ｆｏｒ Ｔｒａｎｓｉｔ－ｂａｓｅｄ Ｈｏｕｓｉｎｇ．
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｐｌａｎｎｉｎｇ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ ６３（２），Ｓｐｒｉｎｇ １９９７．
［ ３ ］ Ｌａｎｇｒａｎ， Ｇ． Ｔｉｍｅ ｉｎ Ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ． Ｔａｙｌｏｒ ａｎｄ Ｆｒａｎｃｉｓ， Ｌｏｎｄｏｎ， １９９２． ［ ４ ］ 金培权． 基于历史拓扑和描述子的时空数据模型． 测绘学报， ２００４．
［ ５ ］ 杨晨毅， 刘吉平． 基于ＳＤＥ的ＧＩＳ空间和属性数据在ＲＤＢＭＳ中的集成． 应用技术开发，
２００３－０３．
［ ６ ］ Ｋｏｎｃｚ， Ｎ． ａｎｄ Ａｄａｍｓ， Ｔ． Ｔｅｍｐｏｒａｌ Ｄａｔａ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｓ ｆｏｒ Ｍｕｌｔｉｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ
ＧＩＳ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ． Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｒｅｃｏｒｄ， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｂｏａｒｄ， Ｎｏ． １８９４， ２００１．
［ ７ ］ Ａｌｌｅｎ， Ｊ． Ｔｏｗａｒｄｓ ａ Ｇｅｎｅｒａｌ Ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ Ａｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｔｉｍｅ． Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ． Ｖｏｌ．
２３， Ｎｏ． １２３， １９８４．
通
930
城市规划时空数据模型设计
朱丽云 唐中实 牟博超 尹 平 清华大学土木工程系３Ｓ中心 北京 １０００８４
摘要
本文在成熟ＧＩＳ软件ＥＳＲＩ’ｓ ＡｒｃＧＩＳ ｇｅｏｄａｔａｂａｓｅ的空间矢量数据结构基础
上
存储事件的方法来建立和分析对象间的历史拓扑关系态关键字
并通过显式
时
Ｃｉｔｙ Ｐｌａｎｎｉｎｇ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｈａｓ ｄｉｓｔｉｎｃｔ ｔｅｍｐｏｒａｌ ａｎｄ ｓｐａｔｉａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ
ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ． Ｔｈｅ ｎｅｅｄ ｆｏｒ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｅｍｐｏｒａｌ ａｎｄ ｓｐａｔｉａｌ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ａｒｅａ ｏｆ ｃｉｔｙ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｐｒｏｍｏｔｅｓ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ＧＩＳ ｔｅｍｐｏｒａｌ ａｎｄ ｓｐａｔｉａｌ ｄａｔａ ｍｏｄａｌｓ． Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ， ｗｏｒｋ ｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｐａｔｉａｌ ｖｅｃｔｏｒ ｄａｔａ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ＥＳＲＩ’ｓ ＡｒｃＧＩＳ Ｇｅｏｄａｔａｂａｓｅ． Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ Ｏｂｊｅｃｔ Ｏｒｉｅｎｔｅｄ ｍｅｔｈｏｄ， ｔｅｍｐｏｒａｌ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ｉｓ ａｄｄｅｄ ｔｏ ｓｐａｔｉａｌ ｄａｔａ ｔｈｒｏｕｇｈ ａｄｄｉｎｇ ａｎ ｅｘｃｌｕｓｉｖｅ ＩＤ ｔｏ ｅａｃｈ ｏｂｊｅｃｔ． Ａｎｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ａｐｐａｒｅｎｔｌｙ ｓｔｏｒｉｎｇ ｅｖｅｎｔｓ， ｔｈｅ ｈｉｓｔｏｒｉｃａｌ ｔｏｐｏｌｏｇｉｅｓ ａｒｅ ｂｕｉｌｔ． Ｃｏｎｓｅｑｕｅｎｔｌｙ ｔｈｅ ｓｔｏｒａｇｅ ａｎｄ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌ， ｓｅｍａｎｔｉｃ， ｔｅｍｐｏｒａｌ ａｎｄ ｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｉｔｙ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｏｂｊｅｃｔｓ ａｒｅ ｅｘｐｌｏｒｅｄ．
１． 引言
ＧＩＳ技术是进行城市规划空间信息管理的重要工具
然而
城市规划的绝大多数信息都具有鲜明的空间特征
都要基于对目前所有基础信息怎样更好地来组织
另外
以自己不同的编码方式来记录不同时间下的规划信
息
以便更好地组织城市规划历史的
但目前的ＧＩＳ软件为我们展现的还是一个静态的世界
快照
这同时也带来了大量的数据冗余以及缺乏比较性等等问题实上我们规划的世界是实时动态的
用于规划的ＧＩＳ信息数据库中的数据要能反映变化下的城市问
题
924
但事
时空数据模型
城市规划时空数据模型要能够回答类似这样的问题
一条城市过境路修成后
如何变更的
人们把时间戳加到空间对象的空间属性或主题属性上
基态修正模型
很多方法采用版本来表达时空对象的状态
时空变化查询的效率较低
如分裂
［４］
因为现实世界中
是分裂而来
Ａ． Ｒｅｎｏｌｅｎ
都先后提出了在时空数据模型中显式存储时空变化的方法
因此时空变化可以通过对事件的存储和表示来
实现
和陈军等因此
ＡｒｃＳＤＥ
生产商
ＥＳＲＩ
公司开发的一种空间数据引擎
是世界著名的ＧＩＳ软件
其做法是在标准的关系数据库上增加一个空间数据管理层
通过关键项将其相联
Ｔａｂｌｅ
Ｓｐａｔｉａｌ Ｉｎｄｅｘ Ｔａｂｌｅ
或称为
Ａ
表
要素表
要素的类型及要素的封装边界
为
Ｓ
表
或称
Ｂｕｓｉｎｅｓｓ Ｔａｂｌｅ
［５］
Ｌａｙｅｒ
所涉及到的信息可以分为基础信息
从几何角度看这些
象依旧可以分为点
在时空数据模型中
所谓历史拓扑
对
根据ＷＯＲＢＯＹＳ的时空对象模型以及Ｇ． Ｌａｎｇｒａｎ等人的显式存储时空变化的观点
这里仅针对矢量数据
925
计有所不同
规划方案强调版本控制
图1 ArcSDE geodatabase表结构
３．２．１． 在Ｇｅｏｄａｔａｂａｓｅ中增加时间信息 为了研究时态ＧＩＳ在城市规划中的使用
本次研究首先尝试采用ＥＳＲＩ公司ＡｒｃＧＩＳ软件
目前城市规划信息所包含的实体按空间维数分主要有零维实体一维实体的观点
二维实体
点
形成时空对象类
通过扩展ｇｅｏｄａｔａｂａｓｅ空间数据结构
线
线状要素的变化
城市中的道路是城市规划系统中重要的
城市道路数据也在发生巨大
有些道路变成了建设用地从此不复存在
按照面向对象
926
考虑到连续规划的需要
库的同时为每个对象增加时间维信息
为每个路段定义一个有效时间
允许变长
在Ｇｅｏｄａｔａｂａｓｅ中
也就是在维护现状
通过对数据库业务表中的每条记录增加ＴｉｍｅＳｔａｒｔ和ＴｉｍｅＥｎｄ两项附加属性值来实
现
表１ 时空路段数据结构表 字段名
称
字段名 字段类型
关于时间粒度
一般以月和年来表达时间
本次研究对象定位于
年月日
建立时空数据模型还需考虑时间参照系的问题从而定义了时间维上实体间的关系
在同一时空参照系下
城市规划数据库的时空数据模型
路段标
识
RoadID Int
起始
点标
识
NodeFrom NodeTo Int
Int
终结点标识 有效起有
效终路段长度 要素标
始时间 Date
结时间 Date
Double
识
Int
［６］
TimeStart TimeEnd Perimeter Shape
依赖于特定的应用需求
对于目前的各种应用
因为时差的不同及历法的不同等使得时空数据必须定义明确的时间参照系
时
空数据模型不仅要提供基于对象的有效存在时间
目前的时间ＧＩＳ模型和
标准也提出了使用时间拓扑算子的建议
之
前示
动态时空关系还要指明一个时空对象从哪些时空对象演变而
期间
如下图２所
图2 Allen的时间拓扑关系
927
来
时间信息后还要为它们建立历史拓扑
即增加一个历史拓扑事件表
表２ 显示存储事件的历史拓扑关系表结构
字段名称 字段名 字段类型
事件编号 EventID Int
父实体标识 FatherID Int
子实体标识 SonID Int
所以在为实体引入
历史拓扑关系 事件发生时间点
TemTopo
Int
TimePoint Date
其中历史拓扑关系设计可取值为
如下图所示
３－１
剩余Ｂ１
部分仍为耕地
图３－３
a
图
耕地面积向林区扩展为Ｂ２
图3-2
a
图3-3
122 11 12
51101
A 的标识号
103
6
928
Null 33 B1
3
1999 2000
如同空间拓扑不会随着实体的几何变形而影响它们之前相邻相交等空间拓扑属性当从一个时间参照系转到另一个时间参照系下
４． 实验演示系统 根据上述时空模型
数据结构设计
后台数据库选用
ＳＱＬＳｅｒｖｅｒ
完成具备时
空查询与分析功能的演示系统如下所示
图4 数据库历史数据查询界面
左面目录树显示数据库已有数据
可对实体本身或者实体之间的历史拓扑进行查询或者缓
冲区分析
图5 时空分析操作界面
929
５． 总结
城市规划对时间和空间信息处理的实际需求促使了对ＧＩＳ
时空数据模型的研究
采用面向对象的数据管理方法并建立历史拓扑关系
时态
过扩展ＲＤＢＭＳ
实现
参考文献
［ １ ］ 王黎明， 王英等． 面向对象的区域规划空间信息时空数据模型． 地理科学进展， Ｖｏｌ．２３，
Ｎｏ．３， ２００４－０５．
［ ２ ］ Ｂｏａｒｎｅｔ Ｍ． ＆ Ｃｒａｎｅ Ｒ． １９９７． Ｌ．Ａ．Ｓｔｏｒｙ： Ａ Ｒｅａｌｉｔｙ Ｃｈｅｃｋ ｆｏｒ Ｔｒａｎｓｉｔ－ｂａｓｅｄ Ｈｏｕｓｉｎｇ．
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｐｌａｎｎｉｎｇ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ ６３（２），Ｓｐｒｉｎｇ １９９７．
［ ３ ］ Ｌａｎｇｒａｎ， Ｇ． Ｔｉｍｅ ｉｎ Ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ． Ｔａｙｌｏｒ ａｎｄ Ｆｒａｎｃｉｓ， Ｌｏｎｄｏｎ， １９９２． ［ ４ ］ 金培权． 基于历史拓扑和描述子的时空数据模型． 测绘学报， ２００４．
［ ５ ］ 杨晨毅， 刘吉平． 基于ＳＤＥ的ＧＩＳ空间和属性数据在ＲＤＢＭＳ中的集成． 应用技术开发，
２００３－０３．
［ ６ ］ Ｋｏｎｃｚ， Ｎ． ａｎｄ Ａｄａｍｓ， Ｔ． Ｔｅｍｐｏｒａｌ Ｄａｔａ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｓ ｆｏｒ Ｍｕｌｔｉｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ
ＧＩＳ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ． Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｒｅｃｏｒｄ， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｂｏａｒｄ， Ｎｏ． １８９４， ２００１．
［ ７ ］ Ａｌｌｅｎ， Ｊ． Ｔｏｗａｒｄｓ ａ Ｇｅｎｅｒａｌ Ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ Ａｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｔｉｍｅ． Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ． Ｖｏｌ．
２３， Ｎｏ． １２３， １９８４．
通
930